新建线隧道雷达无损检测

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1、新建线隧道雷达无损检测北京中铁瑞威工程检测有限责任公司2014年3月主要内容一、地质雷达法原理二、新建线隧道雷达无损检测内容三、地质雷达检测方式及注意事项四、数据处理及分析五、隧道雷达检测工程案例分析六、主要业绩一、一、地质雷达法原理地质雷达法原理地质雷达技术是一种利用广谱(1 MHz 2.5GHz) 电磁波确定不同介质分布的探测方法。它用一个天线发射高频率、宽频带短脉冲电磁波, 另一个天线接收来自介质界面的回波信号, 如下图所示。电磁波在介质中传播时, 能量会因介质吸收而发生衰减, 在介质不均匀时还会发生电磁波的散射、反射和干涉。因此利用电磁波传播规律, 根据接收到的旅行时间(亦称双程走时)

2、 、幅度和波形等资料, 探测介质结构、构造和埋设物。雷达检测原理示意图 脉冲波的行程为: 式中: t 为脉冲波走时, ns ; h 为反射体深度, m ;x 为发射器与接收器之间的距离, m ; v 为雷达脉冲波速度, m ns - 1 。常见的岩土工程介质为非磁介质, 在地质雷达频率范围内, 有如下雷达脉冲波速度计算公式。 式中: c 为真空中电磁波传播速度, c = 0. 3 m ns - 1 ;r 为介质的相对介电常数; r 为介质的相对磁导率, r1 。 当发射器与接收器之间的距离x 很小时, 由图1 所示的电磁波传播路径, 可知计算探测目标体厚度的公式为: h=vt/2地质雷达利用高

3、频脉冲波的反射原理实现探测目的, 其反射脉冲信号的强度不仅与传播介质的波吸收程度有关, 而且与被穿透介质界面的波反射系数有关。对于非磁性物质来说, 垂直界面入射的反射系数可表示为：式中: 代表介电常数; 下角标1 和2 表示界面上下2 种不同的介质。由上式可以看出, 界面两侧介电常数的差异决定了反射系数的大小决定了雷达反射能量的强弱。因此, 存在介电常数的差异是应用地质雷达的先决条件。对于铜铁等金属良导体来说, 当雷达波从介质入射到导体表面时, 由于存在较大的电磁性差异,必然产生反射现象。从电磁波传播理论可知, 当垂直入射时, 其反射系数(即反射能量与入射能量的比) 为：式中: Rv 为垂直分

4、量反射系数; Rh 为水平分量反射系数; 为电磁波的角频率; 为金属导体的电导率。从本式可以看出: 若使用的金属材料的电导率越大, 其反射系数越大。对于理想导体, 反射系数为1 , 即理想导体对垂直入射的电磁波不消耗能量, 全部能量被理想导体表面反射回去。由于金属材料对雷达波具有很强的反射能力, 所以在隧道衬砌结构中钢筋及钢格栅的分布和密度可使用地质雷达技术进行检测。 介电常数表介质相对介电常数电磁波速度(cm/ns)空气130干粘土262112湿粘土540135干煤3.516湿煤811干混凝土440155湿混凝土1020106淡水813淡水冰415介电常数表介质相对介电常数电磁波速度(cm/

5、ns)海水813.3海水冰481510干花岗岩513湿花岗岩711干灰岩711湿灰岩810干沙262112湿沙10309.55.4干沙土410159.5湿沙土10309.55.4二、新建线隧道雷达无损检测内容二、新建线隧道雷达无损检测内容主要对隧道衬砌（初衬及二衬）及仰拱进行检测，检测内容如下：1）隧道衬砌厚度及隧底厚度地质雷达检测；2）隧道衬砌及隧底病害地质雷达检测（病害包括衬砌背后空洞、衬砌背后不密实、衬砌厚度不足，隧底厚度不足、片石回填等）；3）初期支护中的钢拱架及格栅钢架等的分布情况，二衬中钢筋分布情况，二衬钢筋保护层厚度；4）衬砌背后及隧底含水分布情况；三、地质雷达检测方式及注意事项

6、三、地质雷达检测方式及注意事项 1）测线布置 视具体情况沿隧道纵向布置69条测线：拱顶、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚、左边墙、右边墙、隧底（两条测线）。测线布置如下图所示。在单线隧道内可考虑只布置57条测线，双线隧道、多线隧道或者病害较严重的单线隧道应适当进行测线加密，以便更详细掌握病害分布情况。检测时沿测线以连续或点测方式进行，以约35km/h速度匀速移动天线，采用测距轮进行距离标定，并辅助人工标定方式，具体间隔距离视实际情况而定，每一定距离手动标记一次，进行雷达检测。 2）地质雷达探测天线频率的选择地质雷达的天线频率选择对检测结果及精度起着关键的作用，天线频率直接影响着探测精度及探测深度

7、：频率越高，探测精度越高，而探测深度越浅；频率越低，探测精度越低，探测深度则越大。探测精度与探测深度为一对无法调和的矛盾体。隧道检测中，雷达天线的频率可选范围为100MHz1000MHz之间。在隧道内不同的检测项目中，其频率选择各有不同，选用合适频率的天线，能使探测精度及探测深度达到一个最佳平衡点，既能满足探测深度的要求，又能最大限度的提高探测精度。首先，我们了解一下不同频率天线所对应的探测精度及探测深度，下表为100MHz1000MHz范围内不同频率天线的对应关系：中心频率混凝土速度时窗(ns)波长(cm)纵向分辨率穿透深度100MHz12cm/ns15012030cm900cm200MHz

8、12cm/ns806015cm480cm250MHz12cm/ns704812 cm420cm400MHz12cm/ns50307.5 cm300cm500MHz12cm/ns40246.0 cm240cm900MHz12cm/ns2013.33.3 cm120cm1000MHz12cm/ns15123.0 cm90cm上表中，电磁波在混凝土速度均按12cm/ns计算，不考虑混凝土中含水、破损、混凝土强度不够以及不同岩层等情况，各型号天线的穿透深度均以此为计算基础。 隧道内开展不同检测项目时，对探测深度的要求也是不尽相同：检测衬砌厚度项目时穿透深度要求1.2米，检测衬砌背后病害及时穿透深度要求

9、2.5米，检测隧底岩溶发育情况时，穿透深度需要达到5米或10米，视具体情况而定。 对应上表，在满足上述检测项目要求的穿透深度前提下，可尽量选择高频率天线。如检测衬砌厚度时，除1000MHz天线外，其它天线均能满足该项目的穿透深度要求，但考虑到探测精度，应尽量选择高频率天线，即应选择900MHz最适合；检测衬砌背后病害时，最适合天线频率应为500MHz或是400MHz天线，两者均可；检测隧底岩溶时，则只能选择100MHz天线了。若只要求探测到5米以内岩溶发育情况，且隧底空间不足以摆放100MHz天线，可以考虑以200MHz频率天线进行检测。 二者都对雷达探头的选型提出了各自的要求：探测深度越大，

10、要求雷达探头频率尽可能的低；探测精度要求越高，则要求雷达探头频率尽可能的高。对雷达检测而言，探测深度若定在2米2.5米范围内，其探头的频率要求不低于400MHZ，而400MHZ的探头其垂向分辨率只为电磁波在该介质中的波长的四分之一，即6cm。这种分辨率对衬砌厚度来说明显是不够的，需要考虑更高频率的天线。若换成900MHZ的雷达探头，该探头的有效探测深度约为1.5米，垂向分辨率约为2.5cm，相对于400MHZ探头提高了近一倍多。在考虑以上因素的前提下，再结合现场实际检测需求，合理选用探头频率，以便最大限度提高检测精度。 3）现场检测工作A 现场检测要保证雷达天线密贴混凝土衬砌表面行进, 打码标